時間:2023-07-10 10:49:36來源:電機控制小白講
以永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)而言,其安全狀態(tài)一般是關(guān)管或者主動短路(ASC)兩種。
因為永磁同步電機存在反電勢,如果在高速關(guān)管,可能會產(chǎn)生較大的發(fā)電扭矩,導(dǎo)致違背安全目標(biāo),所以高速會設(shè)計主動短路作為安全狀態(tài)。所謂的主動短路就是主動將電機的三相線短接的方法,主動短路進入穩(wěn)態(tài)后,永磁同步電機在中高速區(qū)域的輸出轉(zhuǎn)矩約為0轉(zhuǎn)矩,滿足轉(zhuǎn)矩安全的要求。
今天電控小白就來和大家聊一聊電機直接進入主動短路時動態(tài)電流的變化情況。
高速ASC的穩(wěn)態(tài)電流簡析
我們先來簡單分析一下永磁同步電機高速進入ASC后的問題電流情況,為了分析這個問題,電控小白又要利用永遠(yuǎn)也離不開的永磁同步電機的DQ軸電壓方程啦:
為了分析穩(wěn)態(tài)電流,簡化為穩(wěn)態(tài)方程:
主動短路是使電機三相線短接,所以ud和uq均為0.可以推出穩(wěn)態(tài)電流:
從表達式可以看出來,D軸穩(wěn)態(tài)電流小于0.Q軸穩(wěn)態(tài)電流與轉(zhuǎn)速符號相反;當(dāng)電機運行在中高速區(qū)域時,DQ軸感抗會遠(yuǎn)大于Rs,Q軸電流將約為0.所以電機工作在小功率(高速小轉(zhuǎn)矩)發(fā)電狀態(tài)。
對于電機為什么一定處于小轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài),其實很好理解:電機三相線短接,電機無法與直流端進行能量交互,但是只要電機三相存在電流,就必然存在能量消耗(銅損和鐵損),這部分能量只能從外界動能轉(zhuǎn)化而來,因此電機必然處于發(fā)電狀態(tài),而且發(fā)電功率不會太大(發(fā)電功率必須等于電機的損耗功率)。
忽略Rs相關(guān)項,得到近似的電流表達式:
因此對于高速ASC,永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電流其實約等于電機特征電流i0.
電動狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流分析
接下來我們繼續(xù)分析電機進入ASC后的動態(tài)過程:
為了方便分析,先規(guī)定一下工作狀態(tài)吧:正轉(zhuǎn)、電動工況、id>i0
當(dāng)電機從正常工作狀態(tài)進入ASC時,電機端電壓變?yōu)?:
從上面的表達式可以看出,當(dāng)iq>0時,id增大;iq<0時,id減小。當(dāng)id>i0時,iq減小;當(dāng)id
為了驗證前面那麻煩的動態(tài)分析是不是正確,電控小白利用Matlab仿真模型進行仿真(請原諒電控小白資源有限,沒辦法用真實臺架測試數(shù)據(jù)了),這里給出仿真波形:
從上面波形可以看出,DQ軸電流的動態(tài)變化過程與電控小白前面的分析基本吻合,這說明前面的分析方法是正確的(還好,能吻合,不然就啪啪打臉了)。
從波形我們還能得到以下幾點結(jié)論:
1、電機從正常運行直接進入ASC后,可能會產(chǎn)生一個很大的電流沖擊,沖擊電流主要由D軸電流引發(fā),同時電流沖擊發(fā)生在電機從發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電動狀態(tài)前面一點點;
2、D軸電流的沖擊幅值可能遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)電流(仿真波形中D軸電流沖擊達到了1450A);
3、切入ASC會導(dǎo)致DQ軸電流形成振蕩;
4、切入ASC引發(fā)的電流振蕩幅值會逐漸衰減,最終電流收斂到穩(wěn)點電流值,DQ軸電流的波形是在穩(wěn)態(tài)值的基礎(chǔ)上疊加幅值逐漸衰減的振蕩電流;
5、Q軸電流中的振蕩分量相位上超前D軸電流振蕩分量約為90°(小于90°)。
Tips:
1、仿真工況:電機運行電頻率200Hz,進入ASC前電機Id=-200A,Iq=400A,高速主動短路穩(wěn)態(tài)電Id約為-600A;
2、DQ軸電流的振蕩頻率與電機的電頻率相同,同為200Hz;
3、沖擊電流為什么主要由D軸電流形成:因為DQ軸電流是正交的電流,電流矢量的幅值是DQ軸電流的平方和,同時當(dāng)D軸電流達到峰值時,Q軸電流約為0.所以可以忽略此時的Q軸電流對電流幅值的影響;
4、為什么D軸電流最大值對應(yīng)的不是前面分析的Q軸電流為0時刻:因為前面分析中是忽略了定子電阻Rs的影響,如果引入Rs的影響,那分析結(jié)果就與波形能對應(yīng),這里電控小白就不在班門弄斧了,感興趣的讀者可以自行分析;
5、為什么電流中的振蕩分量會逐漸衰減到0:因為有定子電阻的存在,定子電阻會消耗振蕩的能量,使電流逐漸收斂;也可以從另外一個角度來理解這個問題,電阻和電感構(gòu)成了一階低通濾波器,它對交流量存在衰減的作用,所以最終交流成分會被衰減到0;
6、為什么沖擊電流最大幅值一定是出現(xiàn)在電機從發(fā)電過渡到電動前一點點:這個問題可以從能量的角度來理解,DQ軸電流越大,對應(yīng)的電機電感儲存的能量就越多,電機進入ASC狀態(tài)后,能量只能與機械能交互;電動狀態(tài)是將電感磁場能轉(zhuǎn)換為機械能,電感電流減小;發(fā)電則是將機械能轉(zhuǎn)換為電感磁場能,電感電流增大;所以發(fā)電狀態(tài)下的電流幅值一定大于電動狀態(tài);同時電機自身存在損耗(銅損和鐵損),因此當(dāng)發(fā)電功率等于電機自身損耗時,電感的能量達到最大,對應(yīng)電流達到最大。
發(fā)電狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流分析
前面分析了電動狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流變化過程,我們繼續(xù)來分析一下從發(fā)電狀態(tài)切換ASC的電流的動態(tài)變化過程,同樣還是借用前面的公式:
電控小白同樣利用仿真來驗證分析是否正確:
從上面波形可以看出,DQ軸電流的動態(tài)變化過程與電控小白前面的分析基本吻合,這說明前面的分析方法是正確的。
從波形我們同樣能得到與電動工況相同的結(jié)論,電控小白就不在這里羅里吧嗦,耽誤各位看官大人的寶貴時間了。
對比電動與發(fā)電的波形,其實不難發(fā)現(xiàn):電動狀態(tài)最終會進入和發(fā)電相同的電流變化過程,電動狀態(tài)相比發(fā)電狀態(tài)只是增加了前面一段過渡到發(fā)電的變化過程,但是對最大沖擊電流出現(xiàn)的工況點沒有任何影響。
DQ軸動態(tài)電流振蕩分量幅值關(guān)系
我們首先來分析一下DQ軸振蕩分量的幅值關(guān)系,先定義一下分析的時候需要使用的變量,防止大家后面不知道我在說啥。
i0—電機特征電流
idm—D軸電流振蕩分量幅值
iqm—Q軸電流振蕩分量幅值
基于前面分析不論是電動還是發(fā)電最終都會進入發(fā)電工況,所以這里直接以發(fā)電工況來分析,同時為了簡化分析,我們先不考慮電阻對振蕩的衰減作用,即認(rèn)為振蕩幅值恒定不變:
利用前面分析電流動態(tài)變化時使用的公式進行適當(dāng)?shù)淖冃危?/p>
上面波形中T1到T2之間的波形正好對應(yīng)DQ軸振蕩分量的四分之一周期;因此從T1時刻到T2時刻,D軸電流的變化量正好是諧振分量的幅值Idm;同時iq在T1到T2的定積分值為圖中綠色陰影面積,這里可以用定積分公式計算出iq的積分值:
從DQ軸振蕩電流幅值的對應(yīng)關(guān)系,能看出來,對于內(nèi)置式凸極電機而言(Ld
D軸電流振蕩分量幅值計算
相信只是分析到DQ軸振蕩電流幅值的對應(yīng)關(guān)系大家肯定不會滿意,電控小白接下來就分析一下D軸電流的最大幅值是多少,我們同樣還是直接分析發(fā)電工況。
還是利用前面的定積分公式,不過這次我們是對T0到T1這段時間進行定積分,假定T0到T1的時間為t:
D軸電流的變化量為(i0-id0);iq的定積分為圖中紅色陰影區(qū)域面積的相反數(shù),為了計算方便,我們以梯形ACFG的面積來近似等效紅色陰影面積。
Q軸電流的變化量為(-iqm-iq0);(i0-id)的定積分為圖中綠色陰影區(qū)域面積的相反數(shù),同樣為了方便計算,我們以三角形BDE的面積來近似等效綠色陰影面積。
從D軸沖擊電流幅值公式可以看出來,電流沖擊的大小不僅與電機本體參數(shù)相關(guān),還與進入ASC時刻的電流初始值相關(guān)。
Tips:
1、以上分析是在忽略定子電阻Rs影響下進行的,因此這里分析的是振蕩電流無衰減情況下的電流最大值;
2、真實情況下,因為存在Rs的衰減作用,所以電流沖擊的幅值一般會小于這里分析的數(shù)值。
總結(jié)
這次分享主要分析了永磁同步電機高速從正常運行工況直接進入ASC后,電流的動態(tài)變化過程。
1、電機進入ASC后,會在DQ軸產(chǎn)生振蕩電流,振蕩電流的頻率與電機運行頻率相同;
2、因為定子電阻的存在,振蕩電流會逐漸衰減,DQ軸電流最終會收斂到ASC穩(wěn)態(tài)電流;
3、永磁同步電機進入ASC后的穩(wěn)態(tài)工作電流基本等于電機的特征電流,同時電機處于小功率發(fā)電狀態(tài);
4、不論電機從何種工況進入ASC,其最終都會進入相同的收斂工況,最大沖擊電流由D軸電流引發(fā);
5、沖擊電流的最大值不僅取決于電機本身的參數(shù),還與進入ASC瞬間的電流初始值相關(guān)。
以上就是本次的分享內(nèi)容,希望電控小白的這次分享能讓您對理解永磁同步電機電機ASC的動態(tài)電流過程有所幫助。
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